概念设计与结构设计探究

概念设计与结构设计探究

刘明

刘明

远景能源（江苏）有限公司

摘要：概念设计通常指不经数值计算，尤其在一些难以做出精确理性分析时，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想。概念设计是结构设计的核心和灵魂，它统领结构设计的全过程。文章从概念设计的重要性和原则入手，对概念设计在建筑结构中的应用、概念设计在建筑结构设计中的意义进行了详尽的论述。

关键词：概念设计；结构设计；原则

所谓概念设计，一般指不经数值计算，尤其在一些难以做出精确理性分析时，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的经济可靠性能。

1概念设计的重要性

强调概念设计的重要，主要因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性，比如对混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。概念设计的重要，还在于在方案初步设计阶段，初步设计过程是不能借助于计算机来实现的，它需要综合运用结构概念，选择效果最好、造价最低的结构方案。

综上所述，做好结构概念设计是做好结构设计的前提，也是工程设计方法发展的必然趋势。基于建筑结构的复杂多样性，结构的概念设计也存在着广阔的空间。

2.结构概念设计需遵循的原则

（1）全面综合考虑原则。结构概念设计时，首先要对其所设计工程的各个方面做全面的考虑，包括建筑、结构和施工等方面。建筑方面要考虑空间、尺度等使用要求，采光、通风、防火等功能要求，美学、风格等美观要求；结构方面要考虑结构整体和关键部位受力的合理性，主要构件连接的牢固性，所选择结构体系的可靠性、经济性，以及材料在长期使用环境下的耐久性；施工方面要考虑取材的方便与否，成型的可能，以及做法的合理性。做好上述考虑，就为做好结构概念设计奠定了基础。

（2）合理受力原则。概念设计是要正确运用力学原理处理结构的一般受力分析问题。结构的构造做法必须与结构的受力分析一致：①从受力和变形看，均匀受力优于集中受力，多跨连续优于单跨简支，刚性连接优于铰连接，空间作用优于平面作用，超静定的受力体系优于静定的受力体系。传力简捷比传力曲折好，要避免不明确的受力状态；要尽可能利用结构的对称性、刚度的相对性、变形的连续性和协调性，既要分析各部分构件的直接受力状态，还要分析整体结构的受力状态，要抓住主要的受力状态和变形，忽略次要的受力状态和变形；②从抗力和材料看，要尽可能选用以轴向受力为主的受力状态，尽可能增加结构和构件的截面惯性距和抗弯刚度、抗剪刚度，合理的选用材料和构件的截面；③从构件自身看，混凝土构件要避免剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土压溃先于钢筋屈服、钢筋和混凝土的粘结破坏先于构件自身破坏，以避免造成脆性失效；构件间和连接应使节点和预埋件的破坏不先于其连接件以便充分发挥构件自身的作用。

（3）减轻自重原则。结构所承受的荷载有两种，竖向荷载和水平荷载。竖向荷载的85%以上是建筑自重，水平荷载中的地震作用与建筑物自重直接相关。减轻自重不仅可以减轻结构承受的荷载，而且可以降低工程造价、加快施工速度。减轻自重可采取以下措施：①采用轻质高强材料；②采取高效能的结构型式；③选择优越的结构体系；④选择合理的结构。

（4）优化选型原则。根据环境、建筑功能选择适合的结构体系，如框架结构、剪力墙结构、框剪结构等。在满足使用要求的前提下优化结构布置，平立面宜规则、对称，具有良好的整体性，竖向除规整外侧向刚度宜均匀变化，自下而上逐渐减小，避免突变。

（5）空间作用原则。建筑物本身是一个空间结构，平时为了结构设计计算工作的简化，将它分解成各种平面受力状态进行量化分析，在结构概念设计是考虑建筑物内各部分结构的空间作用，实际上是还原到他本来的结构面貌。

3.概念设计在建筑结构设计中的应用

运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，同时也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

比如，有的设计人员用多、高层结构三维空间分析程序来计算底层框架，还人为的布置一些抗震墙，既不能满足楼层间的合理刚度比，也不能正确地反映底层框架在地震时受力状态。问题在于结构概念不明确，没考虑这两种结构体系的差异。软件的选择和使用不当，造成危害是不容忽视的。

运用概念设计的思想，也使得结构设计的思路得到了拓宽。传统的结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力，以至混凝土的等级越用越高，配筋量越来越大，造价越来越高。结构工程师往往只注意到不超过最大配筋率，结果肥梁、胖柱、深基础处处可见。以抗震设计为例，一般是根据初定的尺寸、混凝土等级算出结构的刚度，再由结构刚度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，结构刚度越大，地震作用效应越大，配筋越多，刚度越大，地震力就越强。这样为抵御地震而配的钢筋，增加了结构的刚度，反而使地震作用效应增强。其实，为什么不考虑降低作用效应呢？目前在抗震设计中，隔震消能的研究就是一个很好的例子。隔震消能的一般作法是在基础与主体之间设柔性隔震层；加设消能支撑（类似于阻尼器的装置）；有的在建筑物顶部装一个“反摆”，地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反，从对建筑物的振动加大阻尼作用，降低加速度，减少建筑物的位移，来降低地震作用效应。合理设计可降低地震作用效应达60%，提高建筑物的抗震安全性。

4.概念设计在建筑结构中的意义

（1）概念设计体现了设计的创新性。由于传统的设计方法需要通过设计师查找手册、计算机程序等进行循规蹈矩的方式进行，从而缺少设计风格以及创新性。而使用概念设计可以允许工程师在设计过程中根据自己的经验以及理论知识，同时结合概念设计的新方法以及新思路得出具有合理性以及一定创新性的设计。

（2）概念设计可以有效地提升工程师的设计能力。概念设计允许工程师在遵循一定要求的条件下进行一定程度的发挥，从而可以有效地解决设计中存在的问题。同时通过概念设计中的正确理念与原则的指引，便于工程师从根源查找问题，从而使得计算计算结果更为准确。

（3）概念设计可以优化设计结果。采用概念设计方案可以在方案的对比中选择出更加优秀的设计方案，这种优选方案不仅体现了方案的可靠性与经济性，同时也有效地避免了设计后期出现的繁琐计算。

5.结语

在结构概念设计时掌握好以上原则和方法，就能为结构设计勾勒出正确的方向，从而做出在结构上安全经济、在建筑上美观的结构设计。结构设计工程师应该注重提高概念设计的能力，才能将结构设计做得更好。针对目前建筑结构设计当中墨守成规的现象，提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性，推动结构设计的发展。

参考文献：

[1]方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]许燕禄.概念设计在建筑结构设计中的应用[J].广东土木与建筑，2005（02）.

[3]林同炎，S.D.思多台斯伯利.结构概念和体系[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.